金属材料表面处理

電鍍層属于金属保護層，氧化、化学轉 化、噴涂膜層属于非金属保護層
按組成成分
無机膜層 有机膜層
除油漆和粉末涂層外，其它保護層都是无机涂層
4、常用工藝及其目的
工 藝
电镀
阳极氧化 化学轉化膜
涂裝
工藝技术成熟度高，設備要求比較簡單，适用面广， 生產成本較低。
應用目的
防腐蝕
裝飾
導電
耐磨
1﹒鍍覆層選擇
陽極鍍層－比底材電位低的金屬鍍層作為陽極(被
電鍍裝置必頇包括三部分〆 1）外電路 2）電鍍溶液 3）与鍍液接触的两个電极
電鍍时，工件作為阴极、鍍層材料（金属或合金）作 為阳极，一同浸入電解液中、并通入直流電。
電鍍層的生長过程
薄 漲厚
完成
5.2
表面轉化
金属的表面轉化﹐是指采用化学處理液﹐使金属表 面与溶液界面上產生的化学或電化学反應﹐生成穩 定的化合物薄膜的處理过程﹒ 按照轉化过程中是否存在外加電流，分為〆 化学轉化 電化学轉化（即阳极氧化）
5.3.2
静電噴涂原理
利用静電場对電荷的作用而实現﹐ 适用于工件外形不太复雜﹑大批量生產的流水線作業﹒
1）以接地的工件阳极﹐接上負高電压的静電噴槍﹔ 2）使涂料霧化并帶負電荷﹐与工件間形成高压静電場﹔ 3）在電場力的作用下﹐涂料粒子迅速飛向異极性的工件 表面﹔ 4）在工件表面放電 ﹐使静電消失﹐涂料便均匀而牢固 地沉積在工件表面﹐形成了均匀的涂膜﹒
表面處理技术
是
表面工程学一个方面 偏重于工藝技术
A﹒不同 工藝方法
對表面塗裝﹑處理﹑改性
電 化 学
固体 材料
…… 特殊功能表面層
B﹒表面工程內涵
表面層的設計 表面層的選材 表面處理工藝 表層質量控制与監測 工程應用 失效分析
表面工程
通过表面处理技术来改變固体材料的表面形態、化学 成分和組織結构，以获得所需表面性能的系統工程.
除油
化学/電解 除油 〆 清除表面油脂，使表面容易電鍍
浸蝕
用酸液对金属表面進行溶解腐蝕，去除表 面氧化膜和鏽蝕產物，提高表面光澤度﹒ 在零件表面沉積上金属膜層
电镀
后處理
1）鈍化---在鍍層金属表面形成一層薄而 致密的化学轉化膜，加强抗腐蝕能力々 2）封閉---机械方法在鍍層孔隙中填充微 粒﹐如有机物分子，同样是加强保護作用
化学轉化所需設備簡單﹑操作方便﹑生產效率高﹑成本低， 适用范圍广，尤其适用于大型零件﹑組合件、以及難以用 電化学方法获得完整膜層的复雜零件（如細長管、点焊件、 鉚接件等）
5.3 涂裝
現代称作
高分子涂裝技术
利用高分子涂料作原料﹐采用各种涂裝方法使其附着到 制品表面﹐生成具有各种特性的固着膜層（涂層）﹒
前處理
成膜过程
烘烤/固 化
有些工藝在成膜后还有一个工序
后處理
6.1 電鍍—鋼﹑銅﹑鋅合金材料被電鍍
清洁
裝挂
除油
水洗
浸蝕
水洗
后處理
水洗
电镀
水洗
干燥
拆卸
清洁
手工清洁處理〆 清除大量的油污、污物，及厚实的氧化皮 裝挂 〆零件方向保持溶液流动順暢，零 件位置和数量利于鍍層均匀沉積、不影 响鍍層質量﹒
裝挂
5.3.2
静電噴涂－示意圖
工件
＋＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋5 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋＋ ＋
4
涂料霧化
3 2
噴槍
1
－
電源
1----高压静电发生器； 2----涂料输入管； 3----喷枪； 4----涂料雾化微粒； 5----工件
6、生產工藝过程
所有表面處理工藝都至少包含三个基本步驟〆
表面处理是一門涉及多种学科的工业技术
按其使用的方法可大致分成五大类16种工艺
分類 電化學
工藝方法 電鍍
陽極氧化
具體工藝用途 鍍鋅﹑鍍錫﹑鍍鉻﹑鍍銅
鋁合金﹑鈦合金陽極化
化學
化學轉化膜
化學鍍
磷化﹑鈍化﹑化學氧化﹑ 發藍﹑鉻酸鹽處理
化學鍍鎳﹑化學鍍銅 熱浸鋅﹑熱浸鋁 熱噴塗鋅﹑熱噴塗鋁 滲碳﹑滲氮 堆焊耐磨合金 熱燙印金﹑熱燙印鋁
5.2.2
化学轉化－膜
按成膜的主要組成物 类型 氧化物膜
按生產習慣
氧化膜 磷化膜 鈍化膜 着色膜
分类
鉻酸鹽膜 磷酸鹽膜 ＊＊＊
5.2.2
化学轉化膜（續）
鋼鐵磷化
是鐵与含有錳﹑鐵﹑鋅等的磷酸鹽溶 液產生化学反應﹐在表面生成一層難 溶于水的磷酸鹽保護膜﹒
化学氧化
鋁零件的化学氧化實際上應該是鋁的 鉻酸鹽轉化膜﹒
正常鍍鋅
A
B
C
特別注意﹔
盐雾试验
彩色鈍化膜可达到96小时以上不腐蝕﹗
鍍鋅層可达到336至500小时鋼基材出現鏽蝕﹗
7.2 鋼上的鍍鎳層
1﹒不致密﹔鎳鍍層相对于鐵是阴极性鍍層﹐ 只有当其无孔隙时才具有良好的保護性﹒ 2﹒太薄﹔当鍍層达到一定厚度时﹐孔隙率会降低﹓ 3﹒未鍍銅底﹔增加銅底層﹐也可减少孔隙率﹓ 4﹒鍍多層鎳﹔可提高耐腐蝕性﹒
工件
氧化膜的生長过程包含两个方面
膜的電化学生成过程﹔ 膜的化学溶解过程﹒
只有膜層的生成速度恒大于溶解速度时， 才能获得較厚的氧化膜﹗
氧化膜的生長过程
由于電流分布規律，電化学處理膜層表面結构会放 大基体材料表面的缺陷﹒
5.2.2
化学轉化
化学轉化膜是金属与溶液中物質發生化学反應﹐ 生成氧化物等﹐而在金属表面附着所成的薄膜﹒
常用鍍層及一般厚度
鋼－鍍鋅(5~8μm)﹑鍍銅(8~12μm)/鎳(8~12μm)﹑ 鍍銅 (12~18μm)/鎳(8~12μm)/裝飾鉻(0.5~2μm)﹐ 鍍銅(5~8μm)/錫(5~8μm) ,化學鍍鎳(5~8μm)﹐ 鍍硬鉻(1~3μm)
銅－鍍鎳(3~5μm)﹑鍍硬鉻(1~3μm)﹑
鍍鎳(5~ 8μm)/裝飾鉻(0.5~2μm) ﹑ 鍍錫(3~5μm) ﹑鍍鋅 鋁－氧化﹐鍍鋅(5~8μm) ,化學鍍鎳(8~12μm) 鎂－化學氧化﹑陽極氧化(10~60μm)
熱加工
熱浸鍍 熱噴塗 化學熱處理 堆焊 熱燙印
分類
工藝方法
具體工藝用途
真空法
物理氣相沉積PVD 蒸發鍍﹑濺射鍍﹑離子鍍
化學氣相沉積PVD 氣相沉積氧化硅或氮化硅 離子注入 注硼 烤漆﹑粉末塗裝 激光淬火﹑激光重熔
其他方法
塗裝 激光處理
超硬膜處理
金剛石薄膜﹑立方氮化硼
表面保護層分类
按結构特点 金属保護層 非金属保護層
一般通过加温烘烤，使零件表面的水份蒸 發干燥々同时可使鈍化膜等固化、穩定。
干燥
6.2 鋁材阳极氧化/化学氧化
清洁
裝挂
除油
水洗
浸蝕
化学氧化
水洗
着色
Hale Waihona Puke Baidu水洗
阳极氧化
水洗
封閉
水洗
干燥
拆卸
6.3 噴涂
噴涂前處理
鋼件
磷化/電鍍
24h内 噴涂
鋁件
氧化
鋅基合金
噴砂
8h内 噴涂
磷化流程
手工 清洁
裝挂
化学 除油
水洗 電解板
镍镀层
铜镀层 鋼基材
7.3 銅上鍍鎳層
鎳相对于銅是阳极性鍍層﹒ 但若鍍層太薄﹐孔隙率太大﹐底層銅易發生氧化而導致 變色（黑色或綠色）﹒
7.4 阳极氧化膜
鋁的阳极氧化膜是一層多孔膜，必頇進行封閉處理﹒ 着色或封閉时﹐可以有水分子﹑或染色劑分子﹑或其 它鹽类分子沉積在孔隙底部，起到封孔的作用，从而 隔絕了鋁与空气接触、提高了抗腐蝕性。
浸蝕
拆卸
干燥
水洗
磷化
水洗
前处理
1﹒噴漆流程
局部保護
調漆
噴底漆
刮膩子 打磨
烘烤
噴底漆
烘烤 噴面漆 烘烤
2.噴粉流程
噴粉 局部保護 前處理
固化
刮膩子
打磨
7、膜層結构特点及其防護机理/能力
各种表面膜層的結构不尽相同，其对基体材料的保護 机理各式各样。
電化学保護机理 金属原電池中阳极腐蝕、而阴极受保護﹒ 因此電鍍層类别中又有阳极性鍍層和阴极性鍍層﹒ 机械保護原理 隔离腐蝕介質与基体直接接触、而起到保護屏蔽作用
2﹒陽極氧化和化學氧化區別 項目 工藝 膜厚 硬度/耐磨 耐蝕性 導電性 耐熱性 陽極氧化 在電流作用下的電 极反應 5~20um的氧化鋁 高﹐耐磨好 很好 絕緣﹐不導電 好 化學氧化 無電流作用,化學物質 相互作用. 0.3~4um的有機層 低﹐耐磨一般 好 導電性好 不好
孔隙率
多孔,孔隙率約35%, 一般需封閉
多孔氧化膜
著色或封閉 分子沉積
鋁基材
阳极氧化膜特點
膜層厚度一般為5-20微米﹐耐腐蝕性好﹐硬度高﹐絕緣﹒
一般能抵抗240小时以上的中性鹽霧試驗﹐ 最高可通过500小时鹽霧試驗﹒
涂料涂裝（噴漆、噴粉） 塑料襯里或包复 轉化膜
D.金属表面保護層的要求
即金属上涂覆層的基本性能
1）結合强度－要求結合牢固、附着力强
2）孔隙率及密度－膜層致密、完整无孔、不透介質
3）耐蝕性－在腐蝕環境中有良好的穩定性、抗腐蝕性
4）硬度－－硬度高、耐磨好
5）在金属表面分布均匀
3〃表面處理技术分类
7.1 電化学保護
腐蝕介質 eD D Me e e e 阳极 Me +
阴极
1. 鋼上鍍鋅層
由于鋅相对于鐵基体為阳极性鍍層，在有電解液存在时﹐ 先發生腐蝕，从而保護鋼基体﹒
鍍層有微孔﹐ 鈍化膜致密﹒
鈍化膜
鍍鋅層 鋼基材
在遭遇腐蝕介質时〆 A﹒鈍化膜產生腐蝕變黑
B﹒当鈍化膜被腐蝕穿底后,發生鋅層的腐蝕、氧化, 出現白色粉状物. C﹒当鋅層全部腐蝕完后,鋼基体發生腐蝕,出現紅銹.
2〃表面處理在金属防護方面的作用
金属防護
A﹒根据金属腐蝕机理和
指防止金属腐蚀
腐蝕介質
腐蝕形態，腐蝕破壞离不 開金属材料﹑腐蝕介質﹑ 及二者之間的界面反應
界面 反應
金属材料
B﹒防止金属腐蝕的方法主要包括三个方面
1）研制新材料、改善材料的組織和表面狀態
提高材料的抗蝕性能
耐蝕鋼
防鏽鋁
鏡面材料
2）改善腐蝕环境和介質
全过程
C〃表面處理研究對象/方法/手段/目的
表面工程
綜合了材料科学、冶金学、物理、化学的最 新成果，是一門正在迅速發展的新型学科。
研究对象〆 固体材料表面層 物理方法、化学方法、電化学方法 加工方法〆 高真空方法、生物高分子方法 加工手段〆 涂裝、處理、擴散、固定化 形成特殊功能表面覆層,达到裝飾﹑防護﹑ 目的作用〆 特殊功能(如耐磨﹑耐高温﹑導電﹑絕緣)
5.2.1
阳极氧化
阳极氧化与電鍍过程一样，也是氧化 还原反應。只是工件所处极性与電鍍 相反﹐即為陽極。
e E + R e
当有外加電流时﹐溶液中 的水分子被電解﹑同时產 生初生態的[O]﹐氧原子立 即在阳极与金属材料（如 鋁）表面發生氧化反應﹐ 生成氧化膜﹒
A
阴 极
+ 阳离子 阳 电解液 极
阴离子
-
品管進階培訓講座
金 属 材 料 表 面 處 理 技 术
DT(I) SQA
總目錄
1﹒基本概念 2．表面處理在金屬防護方面的作用 3．表面處理技術分類 4﹒常用工藝及其目的 5．表面處理原理 6﹒生産工藝過程 7﹒膜層結構特點及其防護機理/能力 8﹒表面膜層的質量檢測技術 9﹒公司表面實驗室其它測試
1．表面處理技术的基本概念
避免腐蝕發生
物 体
干燥劑 產品
3）應用表面涂覆層和電化学保護方法
a.隔离金属与腐蝕介質的直接接触﹐ 抑制腐蝕过程﹒
阴极保護
產品 地下管道
b.改變表面状態,使基体金属不受腐蝕.
C.覆盖法
在金属表面覆盖一層金屬或非金屬物,而使金 属与腐蝕环境隔离﹒
表面处理防腐蝕法
金属覆盖
非金属覆盖
電鍍 熱噴涂 熱浸鍍 耐蝕金属包复
氧化)﹐其完整性破壞后﹐可借助電化學作用
保護基體﹐其防護性能主要取決于鍍層厚度﹓
陰極鍍層－比底材電位高的金屬鍍層作為陰極(被
還原)﹐只能機械性保護基體﹐其完整性破壞
后﹐將加速基體腐蝕﹐其防護性能取決于孔
隙率和厚度﹒
鍍覆層選擇原則 （1）零件材料﹑狀態﹑結構﹑尺寸公差 （2）零件使用環境（溫度﹑濕度﹑大氣） （3）鍍覆目的和要求（耐蝕﹑耐磨﹑裝 飾性等） （4）各層金屬之間的接触腐蝕程度 （5）鍍覆層特性﹑應用範圍﹑特殊要求
致密
5〃表面處理技术的原理
5.1 電鍍原理﹕電鍍是一个電化学过程﹐也是 一种氧化－还原过程﹒
在外電流（直流電）作用下，電解質溶液中的金属离 子（或絡离子）迁移到阴极表面、发生还原反應并形 成新相（電結晶），这一过程叫作“金属的電沉積"々
当電解質溶液為水溶液时就叫“電 鍍”﹒ 阴极表面所得到的金属結晶層即為電鍍保護層。
鎳鍍層
銅鍍層 鋼基材
基体金属种类
表面光洁度
耐腐蝕性
電鍍工藝因素
在光滑表面上鎳層約20微米就没有孔隙﹐ 但在粗糙表面上需要更厚的鎳鍍層﹒
当鍍鎳層没有孔隙时，一般会長期保持鎳層外 觀而不發生腐蝕變化﹒ 当鹽霧試驗能通过CASS試驗8小时（中性鹽霧試 驗一般為48-72小时）,就具有良好保護作用.
若出現腐蝕，即是鋼鐵基体的腐蝕物紅銹 （或底層銅的綠色腐蝕物）
按施工方法分类
浸涂法 手工噴涂法 淋涂法 電泳涂裝 静電噴涂 粉末涂裝 卷材輥涂法 ……
空气噴涂法 静電噴涂
油漆
粉末
这两种噴涂法油漆均可采用﹓ 而粉末只用静電噴涂﹒
5.3.1 空气噴涂原理
傳統的空气噴涂﹔ 利用压縮空气将流体吹散 成霧状后﹐附着于被涂物 表面。 适用性极广，对任何复雜 工件、任何液体涂料几乎 都能适用﹒